UB 内存管理
Unifiedbus Ub §9 Memory Management。定义了跨 UBPU 的内存共享、地址翻译和权限验证机制。
核心设计目标
- 全局统一内存描述：UBMD (UB Memory Descriptor) 全局唯一标识内存段
- Home-User 访问模型：Home 拥有物理内存，User 通过 UBMD 访问
- UMMU：Home 端地址映射 + 权限检查，可安全委托给非特权软件
- UB Decoder：User 端门户，将本地 PA 翻译为 UBMD
Home-User 访问模型
User (发起方) Home (内存拥有方)
│ │
│ UBMD {EID, TokenID, UBA} │
├─────────── Memory Access Request ──────→│
│ │ UMMU: UBMD → PA + 权限验证
│ │
│←────── Response ───────────────────────┤
User 获取 UBMD 的两种方式：
- UB Decoder：从 PA 查表获得 UBMD（Load/Store 同步访问路径）
- 编程接口：用户通过 URMA API 提供 UBMD（异步访问路径）
UBMD (UB Memory Descriptor)
| 字段 | 说明 |
|---|---|
| EID | 标识目标内存所属 Entity |
| TokenID | 标识 UBA 空间及其权限集 |
| UBA | 64-bit 虚拟地址，Home 提供给 User 用于访问 |
UBA 空间 = 一组 UBA → Home 端 PA 的映射集合。
UMMU (UB Memory Management Unit)
Home 端核心组件，处理内存访问的 4 步流程：
处理流程
UBMD → ① 配置查找 → ② 上下文查找 → ③ 地址翻译 → ④ 权限检查 → PA
① 配置查找 (Configuration Lookup)
查找 TECT (Target Entity Configuration Table)，基于 EID 索引，获取 TECTE。
TECTE 关键字段：
- ST_MODE：地址翻译阶段模式（仅 S1 / 仅 S2 / S1+S2 / 禁用）
- MAPT_EN：是否启用权限检查
- MEM_ATTR_SEL：内存属性选择机制
- SECURE_SEL / PRIV_SEL / INST_SEL：安全/特权/指令属性覆写
- S2_VMID：Stage 2 虚拟机标识
- TCT_PTR / TCT_NUM / TCT_FMT：上下文表指针、大小、格式
- S2_MATT：Stage 2 地址翻译表基址（Secure / Non-Secure 各一份）
- MTM_ID / MTM_GP：内存流量监控标识
② 上下文查找 (Context Lookup)
基于 TokenID 查找 TCT (Target Context Table)，获取 TCTE。
TCT 支持两种格式：
- Linear TCT：直接用 TokenID 索引连续 TCTE
- Two-level TCT：L1 TCT (TokenID 高位索引) → L2 TCT (TokenID 低 6 位索引)，支持更多 TokenID
TCTE 关键字段：
- MATTBA：Stage 1 地址翻译表基址
- SZ / TGS：UBA 最大位数 / 翻译粒度
- MAPT_MODE：权限表模式（单条目 / 多级）
- MAPT_BBA / MAPT_BTA：权限表基块地址 / 权限块表地址
- HAF / HDF：硬件自动更新 Access/Dirty 标志
- MATTWD：禁用 MATT walk（TLB miss 直接报事件）
- GPAS：Guest PA 大小（32/36/40/42/44/48 bit）
③ 地址翻译 (Address Translation)
支持两阶段翻译（虚拟化场景）：
UBA ──[Stage 1: MATT]──→ IPA ──[Stage 2: MATT]──→ PA
| 模式 | ST_MODE | 说明 |
|---|---|---|
| 仅 S1 | 3’b101 | UBA → PA（非虚拟化） |
| 仅 S2 | 3’b110 | UBA 直接做 IPA → PA |
| S1+S2 | 3’b111 | UBA → IPA → PA（虚拟化） |
S1 翻译信息在 TCTE，S2 翻译信息在 TECTE。S1 翻译每级前需对 MATT 基址做 S2 翻译。
具体 MATT 数据结构由 UBPU 架构定义（类似 ARM SMMU 的页表 walk）。
④ 权限检查 (Permission Check)
基于 MAPT (Memory Address Permission Table) 查找权限信息，与访问请求中的信息比对。
MAPT 两种模式
单条目 MAPT：
- 直接通过 TCTE.MAPT_BBA 获取唯一 UMAPTE
- 包含 UBA 范围 (Base/Limit) + 权限位 + TokenValue
多级 MAPT（支持 4KB / 2MB 两种粒度）：
- 4KB 粒度：最多 4 级（L0 用 UBA[47:39], L1 用 UBA[38:30], L2 用 UBA[29:21], L3 用 UBA[20:12]）
- 2MB 粒度：最多 3 级
- 每级 MAPTE 包含 UBA 范围，匹配则检查权限，不匹配且 T=0 则继续下一级，T=1 则终止
权限检查项
| 检查项 | 说明 |
|---|---|
| TokenValue | 双 TokenValue（primary + secondary），匹配任一即通过。支持 Positive PLB 优化 |
| E_Bit (Exclusive) | 两层检查（TCTE + MAPTE），exclusive 请求总是通过，非 exclusive 遇到 exclusive 目标被拒 |
| Access Type | Read/Write/Atomic 位图，对应位置 1 表示允许 |
| MATT 权限 | 地址翻译过程中的权限也参与最终判定 |
MAPT 安全委托
- MAPT 可由非特权软件直接管理，但操作范围限于 MAPT base block
- 特权软件分配 MAPT 物理内存并映射到非特权软件虚拟地址
- 该内存不会被 swap out，避免 page fault
- 非特权软件访问不得超出 MAPT block 大小
UB Decoder (User 端)
User 端将本地 PA 翻译为 UBMD 的组件。
PA → UBMD 翻译
两级页表查找：
PA → L0 Page Table (PA[43:35] 索引)
├── L0 PTE (8 个/64B bulk) → PA[34:32] 选一个 → L1 PT
└── L0 PTRE (范围条目) → 检查 PA[34:20] 是否在范围
├── 在范围内 → 直接获得 UBA
└── 不在范围内 → L1 PT (PA[34:20] 索引)
L1 Page Table → L1 PTE → UBA 计算
UBA 计算
UBA = UBA_BASE:12'b0 + 29'b0:PA[34:0]
与其他架构对比
| 特性 | UB UMMU | ARM SMMU | Intel VT-d |
|---|---|---|---|
| 两阶段翻译 | ✅ S1+S2 | ✅ S1+S2 | ❌ 单阶段 |
| 权限表独立 | ✅ MAPT 独立于 MATT | ❌ 权限嵌入页表 | ❌ 权限嵌入页表 |
| 非特权软件管理 | ✅ MAPT 安全委托 | 部分 | ❌ |
| 全局内存描述 | UBMD (EID+TokenID+UBA) | StreamID+SubstreamID | PASID |
| 双 TokenValue | ✅ primary + secondary | ❌ | ❌ |
UB 的 MAPT 独立于 MATT 是独特设计——权限和地址翻译解耦，允许更灵活的权限管理（非特权软件可管理权限表而不影响地址翻译）。
与 Wiki 其他页面的关联
- Unifiedbus Ub — UB 整体架构
- Ub Programming Models — 内存段的创建/使用/访问方式
- Disaggregated Inference — UB 内存池化与解耦推理的内存共享理念类似
- Switching Principles — UMMU 的地址翻译本质上是一种”交换”（UBA → PA 空间映射）
来源
- UB Base Specification Rev 2.0, §9 Memory Management
Citations
[1] UB-MEM.md